CN104749985A - 一种基于cpld的编码译码控制单元及其编码译码方法 - Google Patents

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彭士伟
梁炜
张晓玲
于海斌
李世明
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Abstract

本发明涉及无线传感器网络技术，具体地说是一种基于CPLD的编码译码控制单元及其编码译码方法。本发明包括电源电路、CPLD芯片、输入接口、拨码开关、缓冲/扩流电路、对外接口。本发明可以根据实际需要灵活运用而不必再额外投入时间和精力，尤其是对于已经成型的工业控制系统中无线传感器网络替换有线传感器网络，运用它“搭桥”方便快捷；设计的编码规则基本上涵盖了无线传感器网络所能够应用的所有场景，满足实际应用需求。

Description

一种基于CPLD的编码译码控制单元及其编码译码方法
技术领域
本发明涉及工业无线传感器网络技术，具体地说是一种基于CPLD的编码译码控制单元及其编码译码方法。
背景技术
工业无线传感器网络技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低工业测控系统成本，提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。工业无线网络技术面向设备间短程、低速率信息交互，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，并最终转化为新的无线技术标准。
目前，工业无线网络技术应用于高速的工厂自动化领域，成为继面向过程自动化的工业无线网络技术之后，国际上无线网络技术竞争的又一焦点。相对于传统的有线总线技术，工厂自动化无线网络不仅具有低成本、易安装、易维护的优势，而且能够避免设备因移动导致的线缆易老化、线缆污染、滑环电力接触易失败等问题。所以采用无线网络系统替换原有的有线系统是一种趋势，也是无线网络比较典型的应用。
工业无线传感器网络的数据传输模式通常为：节点发送数据到网关，网关通过标准总线将数据上送到主控制器。工厂自动化领域常用PLC作为主控制器，当无线网络被用于替换原来的有线设备时，经常会遇到网关数据无法送进PLC的问题。原因在于：1）部分PLC不配备对外标准总线接口；2）即使有标准接口，一般也被其他功能模块（如触摸屏界面）占用；3）即便通过改造后的PLC能够接入网关，也需要对PLC重新编程，工作量大且容易引入其他不可预见的问题。
发明内容
针对现有技术中网关数据无法送进PLC的问题或者改造系统需要对PLC重新编程的上述问题，本发明提出一种基于CPLD的编码译码控制单元及其编码译码方法，将电路模拟后I/O口状态直接送入PLC输入引脚，无需改动PLC周边硬件电路，也无需对PLC重新编程。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于CPLD的编码译码控制单元，包括电源电路、CPLD芯片、输入接口、拨码开关、缓冲/扩流电路、对外接口；
所述电源电路，连接所述CPLD芯片，用于实现输入工控电压到所述CPLD芯片的工作电压的转换；
所述CPLD芯片，用于编码译码控制；
所述输入接口，包括串/并口插头，连接所述CPLD芯片，用于实现所述CPLD芯片与节点或网关的点对点直连和多点通信；
所述拨码开关，连接所述CPLD芯片，用于实现串/并口转换和串口波特率选择；
所述缓冲/扩流电路，连接所述CPLD芯片，如果作为编码电路，来自所述对外接口的外界信号经过总线收发器缓冲作为输入送进所述CPLD芯片；如果作为译码电路，所述CPLD芯片输出控制信号到总线收发器，再连接一组达林顿管扩流送到所述对外接口；
所述对外接口，连接所述缓冲/扩流电路。
所述电源电路采用开关电源和线性电源相结合的二级降压。
所述串口插头采用一个DB9母头接RS-232接口电平，通过RS-232收发器转换为3.3V TTL电平，并送入CPLD芯片的引脚，作为点对点直连。
所述串口插头采用2针5.08接线端子实现RS-485电平，通过RS-485收发器转换为3.3V TTL送入CPLD芯片的引脚，保留多点通信功能。
所述串口插头在送入CPLD芯片的引脚之前汇总，每条信号汇总前串联一个0欧电阻，在强干扰或低信号强度的情况下去掉该路信号电阻。
所述并口插头选用DB25公头，通过一片总线收发器作为缓冲，送入CPLD芯片引脚。
所述拨码开关选用4比特的拨码开关，最高位为0表示选用串口且并口功能无效，最高位为1表示选用并口且串口功能无效，后3位表示波特率的选择。
所述对外接口采用8针XH2.54插头，如果作为编码电路，则串联0欧电阻，不串联达林顿管；如果作为译码电路，则串联达林顿管，不串联0欧电阻。
一种基于CPLD的编码译码控制单元的编码译码方法，网关与编码/译码单元每次只发送一个字节的数据，其中，前M位表示状态，后N位表示地址码，且满足M+N=8；把需要控制的I/O口分成2N组，每一组M位，M代表着需要同时变化的I/O口的最大个数，M、N与最大控制I/O端口个数MAXI/O的关系为：
MAXI/O＝M×2N
本发明基于CPLD的编码译码控制单元及其实现方法具有通用性高，无需改动PLC周边硬件电路且无需对PLC进行重新编程等优点，具体体现在：
1.同一硬件电路编码/译码功能可逆，即可以作为编码单元实现I/O口状态输入到单字节数据输出，又可以作为译码单元实现单字节数据输入到I/O口状态输出，通过选焊0欧电阻/达林顿管（作编码使用焊0欧电阻，做译码使用焊达林顿管）和烧写不同JED文件实现编码/译码两种功能的切换；
2.对于所设计电路的组成部分，输入数据串/并口两种方式完全兼容，串口支持RS-232/RS-485两种电平标准且波特率可调，串/并口切换及串口波特率调整都只需要拨一下电路板上的拨码开关相应位即可完成，无需其他操作，方便快捷；作为编码功能使用时从I/O变化到开始发送数据延迟不超过10μs；作为译码功能使用时从接收数据到I/O变化延迟不超过5μs，反应快、延迟小；编码/译码所有功能通过CPLD实现，相当于硬件分离器件直接搭建，只要硬件电路不发生故障，就不会“死机”，工作可靠性高；输入电压支持12-36V，基本可以从各种工业控制应用场景（如PLC引脚）上取电作为整板供电，宽供电电压范围；CPLD的I/O口输出后端增加了达林顿管扩流，可以支持最大电流500mA，饱和压差不到1V，基本可满足目前常用型号的PLC输入引脚线圈驱动电流，保证可靠工作不烧板，且输出电流大、压差小；
3.本发明方法的通用性较高，不变的是硬件电路，变化的是功能，可以根据实际需要灵活运用而不必再额外投入时间和精力，尤其是对于已经成型的工业控制系统中无线传感器网络替换有线传感器网络，运用它“搭桥”方便快捷；设计的编码规则基本上涵盖了无线传感器网络所能够应用的所有场景，满足实际应用需求。
附图说明
图1表示基于CPLD的编码译码单元的应用位置示意图。
图2表示本发明硬件电路结构框图。
图3表示本发明串口RS-232/RS-485兼容实现方式的示意图。
图4表示本发明编码/译码对外接口兼容实现方式的示意图。
图5表示1位状态7位地址码时发送数据报文的结构。
图6表示2位状态6位地址码时发送数据报文的结构。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明编码译码单元的应用场景如图1所示，编码译码单元作为桥梁，安放在网关和主控制器之间。
本发明涉及的硬件电路包括电源电路、CPLD芯片XC95144XL、输入接口、拨码开关、缓冲/扩流电路、对外接口六个部分，如图2所示。
本发明方法所述的电源电路用于实现输入工控电压到芯片工作电压的转换。工控电压一般比较高，典型电压是24V，也有12V和36的场合，而芯片的工作电压大多为3.3V。本发明说法采用二级降压的方式，即开关电源和线性电源相结合的二级降压方法。开关电源和线性电源可以根据硬件性能和用户需求进行选择。例如，第一级采用开关电源LM2596S降压到5V，该模块最大支持40V输入；第二级采用线性电源LM1086从5V降压到3.3V，可以保证3.3V电源纹波噪声比较低，电源质量好。
本发明方法所述的CPLD芯片的选择基于成本、性能、可靠性和市场量的综合选择。例如，采用Xilinx公司的XC95144XL芯片，该芯片用量大，单片成本低，性能和可靠性都比较高，芯片除去电源、地以及JTAG等功能引脚和作为串/并口、主时钟、拨码开关以外，其他GPIO都可以作为对外I/O口使用，最多支持88个对外I/O口，可以满足绝大多数工控场景要求；此外，为保证串口通信波特率准确性和快速扫描I/O状态，时钟保留了2个晶振位置，一个选用22.1184MHz低频作为串口专用时钟，另一个选用50M高频作为信号检测时钟。
本发明方法所述的输入接口包括串/并口插头，实现点对点直连和多点通信功能，如图3所示。具体电路的选择根据基于成本和性能的双重考虑。例如，
串口插头采用1）一个DB9母头接RS-232接口电平，通过RS-232收发器SP3232转换为3.3V TTL电平，并送入CPLD引脚，作为点对点直连，2）采用2针5.08接线端子实现RS-485电平，通过RS-485收发器MAX3485转换为3.3V TTL送入CPLD引脚，保留多点通信功能，二者在送入CPLD引脚之前汇总，每条信号汇总前串联一个0欧电阻，对于干扰严重信号质量不好的场景，可以去掉不使用的那路信号电阻；并口插头选用DB25公头，通过一片总线收发器74HC245D作为缓冲，送入CPLD引脚。
本发明方法所述的拨码开关使用一个4比特的拨码开关，用于实现串/并口转换和串口波特率选择。其中，最高位为0表示选用串口且并口功能无效，最高位为1表示选用并口且串口功能无效，后3位表示波特率的选择。拨码开关对应的功能真值表如表1所示。
表1拨码开关对应功能真值表
Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 波特率
1 X X X 串口无效
0 0 0 0 保留未使用
0 0 0 1 9600
0 0 1 0 14400
0 0 1 1 19200
0 1 0 0 38400
0 1 0 1 56000
0 1 1 0 57600
0 1 1 1 115200
本发明方法所述的缓冲/扩流电路中，每根对外接口引脚都经过74HC245D双向缓冲，且将74HC245D与达林顿管ULN2803进行连接。如果作为编码电路，外界信号来自对外接口，经过245缓冲作为输入送进CPLD引脚；如果作为译码电路，CPLD输出控制信号到HC245D，再经过一组ULN2803实现扩流，之后再送到对外接口，二者硬件兼容实现方式如图3所示。
本发明方法所述的对外接口采用8针XH2.54插头，用于连接排线，通过排线送出或接入I/O信号的一条引脚。74HC245D和对外接口的一条引脚分别连接ULN2803和0欧电阻排，如图4所示。如果作为编码电路，则只需要串联0欧电阻，不串联ULN2803，信号流向如图4下箭头；如果作为译码电路，则只串联ULN2803，不串联0欧电阻，信号流向如图4上箭头。对外接口。
本发明方法涉及的编码/译码单元可通过加载不同的JED文件，支持多种编码/译码规则，具体的实现方法是：网关与编码/译码单元每次只发送一个字节（8个比特）的数据。其中，前M位表示状态，后N位表示地址码，且满足M+N=8。相当于把需要控制的I/O口分成2N组，每一组M位，M实际上代表着需要同时变化的I/O口的最大个数，M、N与最大控制I/O端口个数MAXI/O的关系如下：
MAXI/O＝M×2N
上述对应关系如表2所示。
表2最大控制端口数与M、N关系真值表
M N 最大控制端口数
7 1 14
6 2 24
5 3 40
4 4 64
3 5 96
2 6 128
1 7 128
下面以典型的采用1位数据状态7位地址的编码规则为例说明本发明方法，如图5所示1位状态7位地址码时发送数据报文的结构。
网关每次发送一个字节数据，代表一个传感器节点的状态，其中最高位表示传感器节点的状态，低7位表示地址的编码。例如，网关发送数据为0X00，则表示第0号传感器状态为低，相应的译码单元0号引脚输出低电平；如发送数据为0X90，则表示第16号传感器状态为高，相应的译码单元16号引脚输出高电平。
如果同时变化的最大I/O端口数是两个，则报文格式改为前2位表示状态位，后6位表示地址编码，如图6所示的2位状态6位地址码时发送数据报文的结构。假设编码/译码单元从串口或并口收到一个字节内容是0X00，则表示第0组端口的2个I/O口全部都置为低电平；如果接收内容是0X4B，则表示第11组端口的0号I/O置为高电平，1号I/O置为低电平，其他报文内容含义与此过程相同。以上用法是作为从单字节数据到I/O口状态转化的用法，即作为译码器使用，如果作为编码器使用，实现从I/O口输入状态到单字节数据输出的功能，只需要选焊不同器件，烧写不同JED文件来实现。
总之，对于本发明而言不变的是硬件电路，变化的是功能，可以根据实际需要灵活运用而不必再额外投入时间和精力，尤其是已经成型的工业控制系统中无线传感器网络替换有线传感器网络，运用它“搭桥”方便快捷。

Claims (9)

1.一种基于CPLD的编码译码控制单元，其特征在于，包括电源电路、CPLD芯片、输入接口、拨码开关、缓冲/扩流电路、对外接口； 
所述电源电路，连接所述CPLD芯片，用于实现输入工控电压到所述CPLD芯片的工作电压的转换； 
所述CPLD芯片，用于编码译码控制； 
所述输入接口，包括串/并口插头，连接所述CPLD芯片，用于实现所述CPLD芯片与节点或网关的点对点直连和多点通信； 
所述拨码开关，连接所述CPLD芯片，用于实现串/并口转换和串口波特率选择； 
所述缓冲/扩流电路，连接所述CPLD芯片，如果作为编码电路，来自所述对外接口的外界信号经过总线收发器缓冲作为输入送进所述CPLD芯片；如果作为译码电路，所述CPLD芯片输出控制信号到总线收发器，再连接一组达林顿管扩流送到所述对外接口； 
所述对外接口，连接所述缓冲/扩流电路。 
2.根据权利要求1所述的一种基于CPLD的编码译码控制单元，其特征在于，所述电源电路采用开关电源和线性电源相结合的二级降压。 
3.根据权利要求1所述的一种基于CPLD的编码译码控制单元，其特征在于，所述串口插头采用一个DB9母头接RS-232接口电平，通过RS-232收发器转换为3.3V TTL电平，并送入CPLD芯片的引脚，作为点对点直连。 
4.根据权利要求1所述的一种基于CPLD的编码译码控制单元，其特征在于，所述串口插头采用2针5.08接线端子实现RS-485电平，通过RS-485收发器转换为3.3V TTL送入CPLD芯片的引脚，保留多点通信功能。 
5.根据权利要求3或4所述的一种基于CPLD的编码译码控制单元，其特征在于，所述串口插头在送入CPLD芯片的引脚之前汇总，每条信号汇总前串联一个0欧电阻，在强干扰或低信号强度的情况下去掉该路信号电阻。 
6.根据权利要求1所述的一种基于CPLD的编码译码控制单元，其特征在于， 所述并口插头选用DB25公头，通过一片总线收发器作为缓冲，送入CPLD芯片引脚。 
7.根据权利要求1所述的一种基于CPLD的编码译码控制单元，其特征在于，所述拨码开关选用4比特的拨码开关，最高位为0表示选用串口且并口功能无效，最高位为1表示选用并口且串口功能无效，后3位表示波特率的选择。 
8.根据权利要求1所述的一种基于CPLD的编码译码控制单元，其特征在于，所述对外接口采用8针XH2.54插头，如果作为编码电路，则串联0欧电阻，不串联达林顿管；如果作为译码电路，则串联达林顿管，不串联0欧电阻。 
9.根据权利要求1所述的一种基于CPLD的编码译码控制单元的编码译码方法，其特征在于，网关与编码/译码单元每次只发送一个字节的数据，其中，前M位表示状态，后N位表示地址码，且满足M+N=8；把需要控制的I/O口分成2N组，每一组M位，M代表着需要同时变化的I/O口的最大个数，M、N与最大控制I/O端口个数MAXI/O的关系为： 
MAXI/O＝M×2N。
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